(57)【要約】【課題】積層方向での単位電池、ひいては燃料電池の高温化を防止できるとともに、安定して高い出力が可能な燃料電池を提供すること。【解決手段】流路を有する複数の基体６を、間に電解質部材12を介して積層してなる燃料電池において、基体６間で電解質部材12に近接した部位、流路を有する基体６の内部もしくは前記流路を有する基体６の電解質部材12と対向する面の外縁部の少なくとも１つに伝熱体13を有し、複数の基体６はセラミックスを主成分とし、焼結一体化にて形成されることにより達成される。【選択図】図１。
2007265822.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路を有する複数の基体を、間に電解質部材を介して積層してなる燃料電池において、前記基体間で前記電解質部材に近接した部位、前記流路を有する基体の内部もしくは前記流路を有する基体の前記電解質部材と対向する面の外縁部の少なくとも１つに伝熱体を有し、前記複数の基体はセラミックスを主成分とし、互いに焼結一体化にて形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記伝熱体はセラミックスまたは金属を主成分とし、前記基体と焼結一体化にて形成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記流路を有する基体の間で前記電解質部材の外縁部に近接した部位に、伝熱体を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記流路を有する基体の前記電解質部材と対向する面の外縁部に配置される伝熱体が、平面透視で、前記電解質部材と外縁が同一またはそれより外側に位置することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記伝熱体が、板状の形状であることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記伝熱体が、積層方向の中央部に位置する前記伝熱体よりも、積層方向の両端部に位置する前記伝熱体の熱伝導率が小さいことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項７】
前記伝熱体の熱伝導率が、積層方向の中央部に位置する前記伝熱体から、積層方向の両端部に位置する前記伝熱体にかけて、漸次小さくなることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項８】
請求項１〜請求項７のいずれかに記載の燃料電池を備えた電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流路を有する複数の基体を、電解質部材を間に介して積層して形成された燃料電池に関するものであり、前記基体の近傍に伝熱体を有し、さらに前記基体は、セラミックスを主成分とし、焼結一体化にて形成されることを特徴とする燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気を駆動力とする各種機器の電源として、燃料電池が実用化されてきている。
【０００３】
燃料電池は、一般に、電解質膜を挟んでアノードとカソードとが配置された構造の電池であり、アノードとカソードとの間（電解質の外側）に負荷（電気を駆動源とする各種機構）が配置される。この、燃料極（アノード）側に水素の供給源となる燃料ガス、空気極（カソード）側に酸素を含む酸化剤ガスをそれぞれ供給し、電解質膜を介して、水素と酸素とを電気化学的に反応させて発電を行なわせる。
【０００４】
電解質膜は、上記電気化学反応にともなう水素イオン（プロトン）の移動が、電解質膜中の水分を経由し行われるため、その流れをスムーズにして発電を効率よく行うために、十分な水分の保持が必要になる。
【０００５】
燃料電池は、一対のアノードとカソードとを単位として生じる電圧が上記電気化学反応により原理的に制約されるため、負荷に必要な電圧を供給するためには、燃料電池の最小単位である単位電池が積層されて互いに直列に接続された構造とする必要がある。
【０００６】
図５に、従来の燃料電池の構成を断面図で示す。同図において、111は燃料電池、113は電解質膜、114および115はガス拡散層および触媒層としての機能を有する一対の電極部、すなわち燃料極および空気極であり、116は燃料流路118および空気流路119を備える基体である。そして、電解質膜113と電極部114、115とからなる電解質部材121と、電解質部材121を挟み込む基体116からなる単位電池112が、電気的に直列に接続されるように多数積層して燃料電池111となる。
【０００７】
発電する化学反応が発熱反応であること、電気が流れる経路で抵抗発熱等が生じることなどから、単位電池112の温度は上昇する。単位電池112は、温度が高くなり過ぎる（例えば100℃超）と、電解質膜113に含まれる水分が蒸発し、電解質膜中の水分量が減少しやすくなる。電解質膜113中の水分量が減少すると、電解質膜113の導電率が低下（抵抗増大）し、電圧損失により出力電圧が低下する。この場合、高温になりやすい単位電池の温度を低く抑えるために出力電圧を低く抑えようとすると、結果的に、燃料電池111の出力電圧が低下してしまう。そして、単位電池112の温度が100℃を超えると、電気化学反応を促進する触媒の劣化や電解質膜113の劣化による分解により、電池性能が急激に低下し、燃料電池111の寿命の低下にも繋がる。
【０００８】
したがって、単位電池112の構成にあたっては、単位電池112の温度が100℃超とならないような構成とする必要があり、例えば、複数個の単位電池112と冷却板（図示せず）とが交互に多数積層され、積層体の冷却板に冷媒マニホールド（図示せず）を介し、水などの冷媒が外部から供給・排出されるような冷却機構（図示せず）などが備えられている。
【０００９】
また、燃料電池の基体116においては、カーボンやステンレスなどの導電材料が一般的に使用される。ここで、カーボンやステンレスなどの導電材料を使用した積層体において、積層体を構成する基体116は、同一材料で形成される。すなわち、基体116は同一の熱伝導率となる。それゆえ、燃料電池内の温度分布は、基体（熱伝導率）で左右される場合が多くなる。
【特許文献１】特開平１−２６５４６０号公報
【特許文献２】特開平５−６２７０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
燃料電池について、近年、携帯電話やパーソナルコンピュータ（いわゆるノートブックＰＣ）等の携帯電子機器の電源としての用途が注目されている。しかしながら、上記従来の燃料電池を小型化が要求される携帯電子機器において電源として搭載する場合、次のような問題点が生じる。
【００１１】
すなわち、燃料電池を搭載するスペースが小さいため、冷却板や冷媒を供給するための補器を用いた場合、燃料電池全体の大型化を招くため、携帯電子機器に搭載することが非常に困難となる。
【００１２】
また、冷媒を供給するための補器を使用するにあたっては、結果的に補器を作動させるための電力が必要となることから、補器の電力使用を含めた燃料電池全体の効率が制限されるという問題点があった。
【００１３】
一方で、冷媒を用いて冷却を行わない場合、上記のように出力電圧の低下や寿命の低下等の可能性が高くなってしまう。
【００１４】
また、燃料電池内の温度上昇および各単位電池内の温度バラツキを抑制するためには、基体に高熱伝導の伝熱体を設ける必要がある。しかしながら、燃料電池の積層時に、基体と伝熱体の位置精度が悪くなる場合や、基体と伝熱体の間に隙間が生じる場合があり、そのような場合は、基体と伝熱体あるいは基体と電解質部材の接触が損なわれる問題があった。その結果、電解質部材で発生した熱を十分に熱伝導できない問題があった。
【００１５】
本発明は、以上のような従来技術の課題を解決するために提案されたものであり、その目的は、温度上昇を抑制することができる単位電池（燃料電池）を提供するとともに、単位電池を積層してなる、小型の燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の燃料電池は、流路を有する複数の基体を、間に電解質部材を介して積層してなる燃料電池において、前記基体間で前記電解質部材に近接した部位、前記流路を有する基体の内部もしくは前記流路を有する基体の前記電解質部材と対向する面の外縁部の少なくとも１つに伝熱体を有し、前記複数の基体はセラミックスを主成分とし、互いに焼結一体化にて形成されることを特徴とするものである。
【００１７】
また、本発明の燃料電池は好ましくは、前記伝熱体はセラミックスまたは金属を主成分とし、前記基体と焼結一体化にて形成されることを特徴とするものである。
【００１８】
また、本発明の燃料電池は好ましくは、前記流路を有する基体の間で前記電解質部材の外縁部に近接した部位に、伝熱体を有することを特徴とするものである。
【００１９】
また、本発明の燃料電池は好ましくは、前記流路を有する基体の前記電解質部材と対向する面の外縁部に配置される伝熱体が、平面透視で、前記電解質部材と外縁が同一またはそれより外側に位置することを特徴とするものである。
【００２０】
また、本発明の燃料電池は好ましくは、前記伝熱体が、板状の形状であることを特徴とするものである。
【００２１】
また、本発明の燃料電池は好ましくは、前記伝熱体が、積層方向の中央部に位置する前記伝熱体よりも、積層方向の両端部に位置する前記伝熱体の熱伝導率が小さいことを特徴とするものである。
【００２２】
また、本発明の燃料電池は好ましくは、前記伝熱体の熱伝導率が、積層方向の中央部に位置する前記伝熱体から、積層方向の両端部に位置する前記伝熱体にかけて、漸次小さくなることを特徴とするものである。
【００２３】
また、本発明の電子機器は好ましくは、上記いずれかに記載の燃料電池を備えていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の燃料電池は、流路を有する複数の基体を、間に電解質部材を介して積層してなる燃料電池において、前記基体間で前記電解質部材に近接した部位、前記流路を有する基体の内部もしくは前記流路を有する基体の前記電解質部材と対向する面の外縁部の少なくとも１つに伝熱体を有し、前記複数の基体はセラミックスを主成分とし、互いに焼結一体化にて形成されたことから、容易に作製することが可能となる。
【００２５】
また、基体と伝熱体を一体とできることから、基体と伝熱体を高精度で位置あわせをおこなうことができ、積層時における、基体と伝熱体のズレを効果的に防止することができる。また、基体と伝熱体の接触熱抵抗がないことから、電解質部材で発生した熱を効率よく熱伝導することができる。
【００２６】
また、本発明の燃料電池は好ましくは、伝熱体はセラミックスまたは金属を主成分とし、基体と焼結一体化にて形成されることから、基体に高熱伝導の伝熱体を設ける事により、燃料電池内の温度上昇および各単位電池内の温度バラツキを抑制する事が出来る
また、本発明の燃料電池は好ましくは、流路を有する基体の間で電解質部材の外縁部に近接した部位に、伝熱体を有することから、電解質部材で生じた熱が、さらに効率よく伝熱体に移動する。
【００２７】
すなわち、伝熱体を、流路を有する基体の間に有する場合には、電解質部材に近接して伝熱体を配置することができることから、電解質部材で発生した熱が、効率よく伝熱体に移動する。そして、その伝熱体に移動した熱は、流路を有する基体を介して、単位電池（燃料電池）全体に伝わっていくことから、単位電池（燃料電池）の高温化を防止することができるとともに、長期にわたって安定した出力電圧を維持可能な、小型の燃料電池を提供することができる。
【００２８】
また、本発明の燃料電池は好ましくは、流路を有する基体の電解質部材と対向する面の外縁部に配置される伝熱体が、平面透視で、電解質部材と外縁が同一またはそれより外側に位置することから、電解質部材から流路を有する基体に伝わった熱が、効率よく伝熱体に移動する。さらに、本発明の単位電池を複数積層してなる燃料電池において、その移動した熱が、隣接する流路を有する基体等に伝わることで、単位電池（燃料電池）全体に伝わっていくことから、単位電池（燃料電池）の高温化を防止することができる。
【００２９】
さらに伝熱体は、電解質部材と同一もしくはそれ以上の大きさとなることとなることから、電解質部材で生じた熱を、効率よく伝熱体に伝えることができる。
【００３０】
それゆえ、温度上昇を抑制することができる単位電池（燃料電池）を提供することができる。
【００３１】
また、本発明の燃料電池は好ましくは、伝熱体が、板状の形状であることから、流路を有する基体と強固に接合できる。また、焼結一体化した際の、基体と電解質部材のゆがみ等を防止することができる。これにより、焼結一体化した基体の反りおよび厚みのバラツキが低減するため、燃料電池積層時に基体と電解質部材の良好な接触が可能となる。
【００３２】
また、本発明の燃料電池は好ましくは、伝熱体が、積層方向の中央部に位置する伝熱体よりも、積層方向の両端部に位置する伝熱体の熱伝導率が小さいことから、本発明の燃料電池（単位電池）を複数個積層した際に、高温になりやすい、積層方向の中央部に位置する単位電池で生じる熱を、積層方向に沿って流れやすくさせることが可能となる。
【００３３】
その結果、積層方向中央部の熱は伝熱体および流路を有する基体を経由して積層方向両端部へ伝導されやすくなり、燃料電池全体として温度のばらつきを抑制する、すなわち均一化を図ることができる。一方、積層方向両端部においては、伝熱体の熱伝導率が小さいため、熱の流れが積層方向中央部と比べて相対的に小さくなる。その結果、積層方向両端部の熱は伝熱体および流路を有する基体を経由して積層方向中央部へ伝導されることが抑制される。従って、積層方向の中央部の熱は両端部へと効率的に伝わることにより、中央部は高熱化を抑制することができるとともに、両端部は、中央部からの熱が伝わることで、温度が上がることから、積層された燃料電池の高温化を防止するとともに、長期にわたって安定した出力電圧を維持可能な、小型の燃料電池を提供することができる。
【００３４】
また、本発明の燃料電池は好ましくは、伝熱体の熱伝導率が、積層方向の中央部に位置する前記伝熱体から、積層方向の両端部に位置する前記伝熱体にかけて、漸次小さくなることから、伝熱体の熱流は積層方向の中央部から両端部にかけて漸次小さくなり、積層方向中央部から両端部への熱の流れは促進され、一方、積層方向両端部から中央部への熱の流れは抑制されることとなる。つまり、積層方向の中央部から両端部に向かって、漸次小さくなるような熱の流れを形成することができる。
【００３５】
そのため、高温になりやすい、積層方向の中央部に位置する単位電池からより多くの熱が隣り合う単位電池に向かって順次流れ出し、また、その流れ出た熱が積層方向の両端部に位置する単位電池に供給されて昇温の効果を得ることから、燃料電池全体としての高温化の防止を図ることができる。
【００３６】
従って、各単位電池の出力電圧が同じ程度になり、冷却板や冷媒を供給するための補器や、冷媒を供給するための補器を駆動させる電力等が不要になるので、携帯機器等に搭載可能な、小型で、効率のよい燃料電池を提供することができる。
【００３７】
さらには、上記の燃料電池を備えた、長期に渡って安定した出力電圧を維持可能な、小型の電子機器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
次に、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。
【００３９】
（実施形態１）
図１は本発明の燃料電池について実施の形態の一例を示す断面図であり、単位電池となる場合を示す。
【００４０】
図１において、２は単位電池、３は電解質膜、４、５は電極部材、６はセパレータ、８、９は流体流路、12は電解質部材、13は伝熱体である。なお、図１は単位電池２を概念的に示すものであり、後述する流体流路８、９を同一方向に示すなどしている。
【００４１】
単位電池２は、電解質膜３を挟み込む一対の電極部からなる電極部材４、５を含む電解質部材12と、電極部を覆うように取着された一対の流路を有する基体６で構成されている。
【００４２】
電解質膜３は、イオン導電膜（交換膜）であり、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂、例えば、ナフィオン（商品名、デュポン社製）等のプロトン伝導性のイオン交換樹脂により構成されている。
【００４３】
電極部材４、５は、多孔質状態のガス拡散電極であり、多孔質触媒層とガス拡散層の両方の機能を兼ね備えるものである。ここで、電極部材４、５は、電解質膜３との界面において、白金や白金−ルテニウム等の触媒微粒子を担持した炭素電極によって構成されている。なお、図１においては、電解質膜３および電極部材４、５を同一面に１つ、積層方向に５層としたのは例示であり、電解質膜３および電極部材４、５の数や面積は、携帯電子機器の用途や電圧、電流の仕様に応じて、適宜に設定してよい。また、電解質膜３あるいは電極部材４、５は、互いに同一の広さでなくてよく、さらには同一面に複数配置してもよい。
【００４４】
流路を有する基体６（以下基体６という場合がある）は、流体流路８、９を有し、電解質膜３の周囲にガスケット（図示せず）を配置して、流体流路８、９を流れる燃料ガスと酸化剤ガスが外部に漏れないように気密に封止し、電解質膜３で電気化学的に発電された電流を外部へ取り出すことができるものとなっている。基体６の材料として、主構成材料はセラミックや樹脂などの絶縁材料で、電気的導通をとるためにセパレータ内部や表面に電気配線や電極が配置されたものや、さらには、導電性材料であるカーボン系、ステンレスやアルミニウムなどの金属系、などがある。なお、本発明の実施例において、基体６は、流体流路８、９を一体として成している。
【００４５】
本発明においては、図１に示すように、流路を有する基体６に伝熱体13が設けられる。そして伝熱体13は、例えば、基体６間で電解質部材12に近接した部位、基体６の内部もしくは基体６の電解質部材12と対向する面の外縁部の少なくとも１つに有する。
【００４６】
そして、これら複数の基体６はセラミックスを主成分とし、互いに焼結一体化にて形成される。なおこの場合において、複数の基体６は間に、伝熱体13等の他の部材を介して、焼結一体化してもよい。
【００４７】
さらに、より好ましくは、伝熱体13が基体６と焼結一体化にて形成される。以下に基体６と伝熱体13を焼結一体化する場合の方法を例示する。
【００４８】
基体６を構成するセラミックスとしては、酸化アルミニウム質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化珪素質焼結体、ガラスセラミックス焼結体、ムライト質焼結体などが挙げられる。なお、基体６は、相対密度が80％以上の緻密質からなるセラミックス材料で形成されていることが好ましい。
【００４９】
例えば、基体６が、酸化アルミニウム質焼結体の場合であれば、まず酸化アルミニウム粉末に希土類酸化物粉末や焼結助剤を添加・混合して、酸化アルミニウム質焼結体の原料粉末を調整する。次いで、この酸化アルミニウム質焼結体の原料粉末に有機バインダおよび分散媒を添加・混合してペースト化し、このペーストからドクターブレード法によって、あるいは原料粉末に有機バインダを加え、プレス成形・圧延成形等によって、所定の厚みのグリーンシートを作製する。
【００５０】
続いて、このグリーンシートに対して、金型による打ち抜き、成型や、マイクロドリル・レーザ等により、伝熱体13を埋め込むための貫通孔等を形成する。
【００５１】
伝熱体13は、グリーンシートの表層あるいは内層に形成されるが、その形成方法は特に限定されず、ペースト状、シート状、板状のものでよい。例えば、伝熱体13を、ペースト状を用いて形成する場合において、基体６を酸化アルミニウム質焼結体より作製する場合には、伝熱体13は、酸化を防ぐために、タングステンおよび／またはモリブデンで形成されているのが好ましい。そして、伝熱体13は、例えば、以下のようにして作製する。
【００５２】
無機成分としてタングステンおよび／またはモリブデン粉末100質量部に対して、Ａｌ２Ｏ３を３〜20質量部、Ｎｂ２Ｏ５を0.5〜５質量部の割合で添加してなる伝熱体ペーストを調製する。この伝熱体ペーストをグリーンシートの貫通孔等内にスクリーン印刷・グラビア印刷等の方法で所定パターンに印刷塗布、充填して、伝熱体13を形成する。
【００５３】
その後、所定枚数のグリーンシート成形体を位置合わせして積層圧着した後、この積層体を、例えば非酸化性雰囲気中にて、焼成最高温度が1200〜1500℃の温度で焼成して、目的とするセラミックスの基体６と伝熱体13を焼結一体化にて作製することできる。
【００５４】
そして、上記方法により、基体６と伝熱体13を焼結一体化にて作製することで、基体６と伝熱体13が一体であるため、基体６と伝熱体13を高精度で位置あわせをおこなうことができ、積層時における、基体６と伝熱体13のズレを効果的に防止することができる。また、基体６と伝熱体13の接触熱抵抗がないことから、電解質部材12で発生した熱を効率よく熱伝導することができる。
【００５５】
また、伝熱体13を基体６間で電解質部材12に近接した部位に形成する場合、基体６を焼成後に伝熱体となる金属を半田やロウ付け等により接合してもよい。
【００５６】
（実施形態２）
図２は本発明の燃料電池について実施の形態の他の一例を示す断面図であり、前記単位電池を複数個積層して燃料電池となる場合を示す。
【００５７】
図２において、図１と同じ構成を有するものについては、図１と同じ符号を使用し、その特徴は上述したものと同じである。
【００５８】
ここで、図２において、１は燃料電池、７は締付板、10は棒状部材である。
【００５９】
燃料電池１は、単位電池２、締付板７、集電端子（図示せず）、棒状部材10を備える。燃料電池１は、直方体状等に形成された単位電池２を複数個積層した構造となり、各単位電池２は、積層方向に縦通する棒状部材10と燃料電池１の積層方向両端部に配置された締付板７を用いて機械的に固定される。
【００６０】
集電端子は、燃料電池１から携帯電子機器へ電力を供給するためのプラスとマイナス端子を持ち、金属の集電板やリード線等の手段を用いて行われる。
【００６１】
流路を有する基体６は、それぞれ厚みを薄くし、燃料電池１の低背化を可能とするためには、機械的強度である曲げ強度が200ＭＰａ以上であることが好ましい。曲げ強度が200ＭＰａ未満であると、燃料電池１の組立時に加わる流路を有する基体６への締付圧力や電解質膜３が発電時に湿潤することによる電解質膜３の膨張により発生する圧縮圧力、更には携帯電子機器の使用環境による、振動や衝撃により、流路を有する基体６にクラックや割れが生じる可能性が高い。曲げ強度はＪＩＳ Ｋ６９１１に準拠し３点曲げ法により測定を行う。
【００６２】
また、流路を有する基体６は、その厚みを0.2ｍｍ〜５ｍｍの範囲とすることが好ましい。厚みが0.2ｍｍ未満では、強度が被覆しがちなため、積層し、固定された時に発生する応力により、流路を有する基体６に割れ等が発生しやすくなる傾向がある。他方、厚みが５ｍｍを超えると、低背化が困難となるため、小型携帯機器に搭載する燃料電池１としては不適切となり、また、熱容量が大きくなるため、電解質膜３の電気化学反応条件に相当する適切な温度にすばやく設定することが困難となる傾向がある。
【００６３】
締付板７は、各単位電池２に均一な荷重を与えるために、材料や厚みが適宜選定される。例えばステンレスなどの金属等で製作されるのが好ましく、剛性を上げるために厚みは１ｍｍ以上とするのが好ましい。締付板７と集電端子の間には、電気的に短絡しないために、絶縁部材（図示せず）が挿入される。
【００６４】
流体流路８、９の幅、深さ、形成パターンは、適宜に設定してよい。例えば、図２に示すように、流体流路８、９は、一方は燃料とされる水素を、もう一方は酸素を含む空気を電極部材４、５に供給するために、流路を有する基体６の面内あるいは内部に形成される。さらに、流体流路８、９は発電反応の効率を高めるために流路を有する基体６の表面内を蛇行するように形成されており、水素や空気が電極部材４、５全体に供給されるような形状とする。また、流体流路８、９には、燃料電池１の外部に設けられた水素吸蔵カートリッジや水素タンク、メタノール改質器などの水素生成器や空気を供給するためのブロアなどから水素や空気を供給する際の供給口や排出口（図示せず）、および供給口と排出口と流体流路８、９とを接続する接続部（図示せず）を設けてもよい。空気を供給する流体流路は、水素を供給する流体流路より積層方向における縦もしくは横断面積が大きいのが好ましく、特には、流体抵抗の低減や燃料や空気の供給均一性により、設定される事が好ましい。
【００６５】
棒状部材10は、単位電池２の積層方向に縦通しており、その両端部は、締付板７の上下面において固定される。棒状部材10の固定手段として、片側がボルト状であり、ナットにて締付固定されるのに限定されず、ソケット状や接着材等を用いて締付板と直接固定してもよい。その場合、各単位電池２は両端の締付板７にて荷重が加えられた状態にて行うのが好ましい。なお、本実施形態においては、図１および図２に示したように、棒状部材10が積層体の外部側に設置されてもよく、また後述するように、積層体の内部側に設けてもよく、目的や効率を考慮したうえで、適宜決定すればよい。
【００６６】
本発明においては、図２に示すように、流路を有する基体６に伝熱体13が設けられる。
【００６７】
伝熱体13は、流路を有する基体６に設けられており、例えば基体６間で電解質部材12に近接した部位、基体６の内部もしくは基体６の電解質部材12と対向する面の外縁部の少なくとも１つに形成されていればよい。そして、伝熱体13は、各単位電池で発生した熱を周囲に伝導するための熱経路となるように構成される。なお、図２の場合、伝熱体13は、基体６間で電解質部材12に近接した部位、基体６の電解質部材12と対向する面の外縁部に配置されている。また、熱伝導率が異なる領域はハッチングの形状を変えて示す。以降の図面においても同様である。
【００６８】
なお、伝熱体13は、例えば、銅、アルミニウムなどの材料やステンレスやその他金属の合金等を用いることができる。
【００６９】
また、伝熱体13の上下に隣接する流路を有する基体６間との熱抵抗を低減するために、伝熱体13の厚みは、少なくとも隣接する流路を有する基体６間の隙間と同等であることが好ましく、例えば電解質部材12の厚みと同等であるのが好ましい。なお、流体流路４、５を流れる燃料や空気が外部へ漏れるのを防ぐために、伝熱体13にガスケットの機能を有するような材料を使用してもよい。さらには、伝熱体13の表裏にガスケット材を含んだ複合材としてもよい。
【００７０】
そして、流路を有する基体６が伝熱体13を有することで、燃料電池全体に熱が伝わるため、局部的な高温部を一層なくすことができ燃料電池全体として高温化を防止することができる。
【００７１】
なお、上記のようにして、基体６と伝熱体13を焼結一体化した場合、焼結一体化後に基体６と伝熱体13の隙間に、電解質部材12を挿入する。この場合において、基体６と電解質部材12の間に、隙間を生じる場合があるが、最終的に燃料電池11として構成する際、締付板７により上下に締付けることで、隙間が無くなるため、電解質部材12と基体６を安定に固定することができる。
【００７２】
（実施形態３）
図３、図４は本発明の燃料電池について実施の形態の他の一例を示す断面図であり、前記単位電池を複数個積層して燃料電池となる場合を示す。
【００７３】
図３、図４において、図２と同じ構成を有するものについては、図２と同じ符号を使用し、その特徴は上述したものと同じである。なお、31、41はともに燃料電池を示す。
【００７４】
本発明においては、図３、図４に示すように、伝熱体13の熱伝導率が、セパレータ６の積層方向の中央部のものより両端部のものが小さい。
【００７５】
セパレータ６が伝熱体13を有することで、燃料電池全体として温度のばらつきを抑制する、すなわち均一化を図ることができる。
【００７６】
すなわち、燃料電池１において、中央部（燃料電池１の締付板7、集電板を除く積層方向の25％〜75％に位置する領域をいい、以下同意）は、高温になりやすい。それにより、積層体に温度分布が生じることとなる。
【００７７】
一方、セパレータ６に伝熱体13を設けるとともに、セパレータ６の積層方向の中央部のものと両端部の伝熱体13の熱伝導率が、セパレータ６の積層方向の中央部のものより両端部のものが小さいものとしたことにより、積層方向の中央部に位置する単位電池2においては、伝熱体13の熱伝導率が大きいため、伝熱体13の熱の流れが大きくなり、積層方向に沿って熱を流れやすくさせることが可能となる。その結果、積層方向中央部の熱はセパレータ６および伝熱体13を経由して積層方向両端部へ伝導されやすくなり、燃料電池全体として高温化を防止することができる。
【００７８】
一方、積層方向両端部においては、伝熱体13の熱伝導率が小さいため、伝熱体13の熱の流れが小さくなり、熱の流れが中央部と比べて相対的に小さくなる。その結果、積層方向両端部の熱はセパレータ６および伝熱体13を経由して積層方向中央部へ伝導されにくくなる。従って、積層方向の中央部の熱は両端部へと流れることにより、両端部の温度が上がることから、積層された単位電池間の温度ばらつきが抑制、すなわち高温化の防止が図られ、長期に渡って安定した出力電圧を維持可能な、小型の燃料電池を提供することができる。
【００７９】
また、本発明の他の実施形態としては、図２に示すように、伝熱体13の熱伝導率が、セパレータ６の積層方向の中央部のものから両端部のものにかけて、漸次小さくすることにより、積層方向の中央部から両端部に向かって、漸次小さくなるような熱の流れを形成することができる。
【００８０】
そのため、積層方向の中央部に位置する単位電池からより多くの熱が隣り合う単位電池２に向かって順次流れ出し、積層体の温度分布の均一化を図ることができる。また、その流れ出た熱が積層方向の両端部に位置する単位電池２に供給されて積層体の温度分布の均一化を図ることができる。その結果、各単位電池２の放熱される割合を制御することが可能であり、燃料電池積層体の温度ばらつきを低減、高温化を防止することが可能となる。それに伴い、各単位電池２において含まれる水分量に大きなばらつきが生じることは効果的に防止される。
【００８１】
例として、電解質膜３の数20個、積層方向中央部と両端部の温度差が20℃、単位電池の積層方向の温度分布が１次関数的な温度勾配である場合、セパレータ６を含む伝熱体13の熱抵抗を積層方向中央部から両端部にかけて直線的に大きく変化させる事により燃料電池11の温度分布を均一化する事が可能となる。従って、積層方向両端部の熱伝導率は中央部に対して半分程度となるのが好ましい。
【００８２】
なお、伝熱体13は、例えば積層方向における厚み、もしくは積層方向に直交する幅が、前記セパレータの積層方向の中央部のものより両端部のものが小さいように作製してもよく、また積層方向の中央部と両端部で、成分および組成の少なくとも一方が異なるようにして作製してもよい。
【００８３】
図３においては、積層方向における厚み、もしくは積層方向に直交する幅が、前記セパレータの積層方向の中央部のものより両端部のものが小さいようにした例を、図４においては、また積層方向の中央部と両端部で、成分および組成の少なくとも一方が異なるようにした例を示す。
【００８４】
例えば、伝熱体13を成分および組成の少なくとも一方を異なるようにするにあたっては、積層方向中央部では、銅やアルミニウムなどの高熱伝導率の材料で形成されるのが好ましい。一方、積層方向両端部では、積層方向中央部の金属材料に熱伝導率の低い材料を含有させ、その比率を変更する事により傾斜的に熱伝導率を調整することが好ましい。または、ステンレスやその他金属の合金等、異なる熱伝導率の金属を用いることにより、漸次熱伝導率を変更するようにしてもよい。
【００８５】
また、伝熱体13が、積層方向における断面視にて、電解質部材に近接して配置される場合において、伝熱体13の横断面積部の形状に特段制限はないが、例えば、電解質部材12を覆うように取り囲んでいるのが好ましい。なお伝熱体13の外周部は、流路を有する基体の外周部以下となることが好ましい。この場合、電解質部材12は強酸性雰囲気であるため、貴金属や樹脂などにより、耐食性のコーティングが伝熱体13に施されているのが好ましい。
【００８６】
その結果、高温になりやすい、積層方向の中央部に位置する単位電池からより多くの熱が隣り合う単位電池に向かって順次流れ出し、また、その流れ出た熱が積層方向の両端部に位置する単位電池に供給されて昇温の効果を得ることから、燃料電池全体として温度分布をより一層均一化し、高温化を防止することができる。その結果、局部的な高温部を一層なくすことができるため、燃料電池を長期に渡って連続運転した場合には、従来の燃料電池に比べて格段に高い電池性能を維持できる。
【００８７】
以上のことから、積層された単位電池間の温度ばらつきが抑制され、均一化が図れることから、長期に渡って安定した出力電圧を維持可能な、小型の燃料電池を提供することできるとともに、本発明の燃料電池を搭載した電子装置（例えばＰＣ、携帯電話、ＰＤＡ等）を提供することができる。
【００８８】
なお本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能であり、例えば燃料電池の基体６にフィン形状部材を設けるようにしてもよい。さらには、棒状部材10と基体６の間等に熱伝導性部材を設けてもよい。さらに、メタノールやジメチルエーテルを初めとする各種液体を燃料とする燃料電池を用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明の燃料電池の実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の燃料電池の実施の形態の他の例を示す断面図である。
【図３】本発明の燃料電池の実施の形態の他の例を示す断面図である。
【図４】本発明の燃料電池の実施の形態の他の例を示す断面図である。
【図５】従来の燃料電池の例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００９０】
11、21、31、41、111：燃料電池
２、112：単位電池
３、113：電解質膜
４、５、114、115：電極部材
６、116：流路を有する基体
７、117：締付板
８、９、118、119：流体流路
10、120：棒状部材
12、121：電解質部材
13：伝熱体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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